Tungt vatten (deuteriumoxid, D2O) – egenskaper och användning i kärnreaktorer
Tungt vatten (deuteriumoxid, D2O) – läs om dess unika egenskaper och roll som effektiv neutronmoderator i kärnreaktorer (CANDU) och användning med oanrikat uran.
Tungt vatten (deuteriumoxid, 2
H
2O, D
2O) är en form av vatten baserad på deuterium.
Den har en större mängd av väteisotopen deuterium (2
H eller D, även känd som tungt väte). Vanligt vatten har den vanliga väte-1-isotopen (1
H eller H, även kallad protium). Denna utgör den största delen av vätet i vanligt vatten. Närvaron av deuterium ger kemikalien olika kärntekniska egenskaper, och ökningen av massan ger den andra fysikaliska och kemiska egenskaper jämfört med vanligt "lätt vatten". Tungt vatten används som neutronmoderator i vissa kärnreaktorer, till exempel CANDU-reaktorer. Det är en effektivare neutronmoderator än vanligt vatten, vilket gör det möjligt att använda oanrikat uran som bränsle. Rent tungt vatten är inte radioaktivt, men tungt vatten som har gått igenom en kärnreaktor är svagt radioaktivt.
Fysikaliska och kemiska egenskaper
Täthet och smält-/kokpunkt: Tungt vatten är tyngre än vanligt vatten; dess densitet vid rumstemperatur är högre än H₂O och smältpunkten är något högre (ungefär +3,8 °C) medan kokpunkten också ligger något högre (ungefär +101,4 °C). Dessa skillnader beror på att deuterium har större massa än protium, vilket påverkar bindningsrörelser i molekylen.
Kemiska effekter: Substitution av väte med deuterium påverkar reaktionshastigheter genom det som kallas isotopisk effekt (kinetisk isotopisk effekt). Bindningar till deuterium är något starkare än till väte, vilket ofta gör att vissa kemiska reaktioner går långsammare i D₂O än i H₂O. Fysiska egenskaper som viskositet, ytspänning och refraktivitet skiljer sig också marginellt från vanligt vatten.
Användning i kärnreaktorer
Moderatorfunktion: Tungt vatten fungerar som neutronmoderator genom att sakta ner snabba neutroner till termiska neutroner via elastisk spridning. Deuterium har mycket låg sannolikhet att fånga neutroner jämfört med lätt väte, vilket gör tungt vatten särskilt effektivt när målet är att bevara neutroner i reaktorn.
Varför det möjliggör naturligt uran: Eftersom tungt vatten absorberar färre neutroner än lätt vatten krävs mindre urananrikning för att upprätthålla kedjereaktionen. Det är därför designen i exempelvis CANDU-reaktorer kan använda oanrikat uran som bränsle.
Roll som kylmedium: I vissa reaktortyper används tungt vatten både som moderator och som kylmedel. I andra konstruktioner används det endast som moderator medan ett annat medium cirkulerar som kylning.
Aktivering och radioaktivitet: Rent tungt vatten är inte radioaktivt, men i en reaktor kan en del deuterium omvandlas till tritium genom neutronpåverkan och tungt vatten kan också bli kontaminerat av upplösta radioaktiva ämnen. Därför kan tungt vatten som har tjänstgjort i en reaktor vara svagt radioaktivt och kräva särskild hantering och avfallshantering.
Framställning och ekonomi
Industriella metoder: De vanligaste industriella metoderna för att skilja ut deuterium från vanligt vatten bygger på processer som utnyttjar små isotopskillnader. Ett klassiskt kommersiellt förfarande är Girdler-sulfidprocessen (väte/vätesulfid-utbyte), men även destillation, kemisk utbyte och elektrolys kan användas, särskilt i mindre skala. Dessa processer kräver mycket energi och är därför kostsamma.
Tillgänglighet och kostnad: Eftersom deuterium bara utgör ungefär 0,015 % av grunt vatten är framställning av rent D₂O resurs- och energiintensiv, vilket gör tungt vatten relativt dyrt jämfört med vanligt vatten. Stora reaktorprogram har därför speciella anläggningar för produktion eller återanvändning och rening av tungt vatten.
Hälsa, säkerhet och miljö
Giftighet: Kemiskt är tungt vatten mycket likt vanligt vatten och är i normala mängder inte giftigt. Men biologiskt påverkar höga andelar D₂O i kroppsvattnet cellfunktioner och biokemiska reaktioner. Om en stor del av kroppens vatten ersätts av tungt vatten (på nivåer som ligger betydligt över vad man kan få i sig ofrivilligt) kan det störa cellandning och celldelning. Därmed är det inte lämpligt att dricka större mängder tungt vatten regelbundet.
Hantera kontaminerat tungt vatten: Tungt vatten som har varit i kontakt med reaktorbränsle kan innehålla tritium och andra radionuklider och måste därför hanteras enligt regler för radioaktivt material. Personlig skyddsutrustning, övervakning och avfallshanteringsrutiner är nödvändiga i sådana sammanhang.
Övriga användningsområden
- Vetenskaplig forskning: D₂O används som tungt lösningsmedel inom kemisk och biokemisk forskning, till exempel i NMR-spektroskopi där det ger en mindre störande bakgrund än H₂O.
- Spårämne och isotopmärkningsstudier: Deuterium används som spårämne i kinetikstudier och i läkemedelsforskning för att följa reaktionsvägar.
- Neutronvetenskap: Inom neutronspårning och spridningsstudier används tungt vatten för att kontrollera kontrast i studier av material och biologiska system.
Kort historik och reglering
Tungt vatten blev känd för sin roll i kärnenergiprogrammen under 1900-talet och dess strategiska betydelse gjorde att produktion och distribution historiskt varit noggrant kontrollerad i flera länder. Idag regleras hantering och transport av tungt vatten, särskilt då det är förknippat med kärnenergiprogram och potentiell kontaminering av tritium.
Sammanfattning: Tungt vatten (D₂O) är ett vatten med deuterium i stället för vanligt väte. Det har något annorlunda fysikaliska och kemiska egenskaper, är en mycket effektiv neutronmoderator som möjliggör användning av naturligt uran i vissa reaktorer, och används även inom forskning och industrin. Rent D₂O är inte radioaktivt, men tungt vatten som använts i reaktorer kan bli svagt radioaktivt och kräver särskild hantering.
Frågor och svar
F: Vad är tungt vatten?
S: Tungt vatten är en form av vatten baserad på deuterium, som har en större mängd än normalt av väteisotopen deuterium (2H eller D).
F: Hur skiljer sig tungt vatten från vanligt "lätt" vatten?
S: Förekomsten av deuterium ger tungt vatten andra kärntekniska egenskaper, och dess ökade massa ger det andra fysiska och kemiska egenskaper än vanligt lätt vatten.
F: Vilka användningsområden finns för tungt vatten?
S: Tungt vatten används som neutronmoderator i vissa kärnreaktorer, t.ex. CANDU-reaktorer. Det kan också användas för att möjliggöra användning av oanrikat uran som bränsle.
F: Är rent tungt vatten radioaktivt?
S: Nej, rent tungt vatten är inte radioaktivt eftersom deuterium är en stabil isotop. Om det har passerat genom en kärnreaktor är det dock något radioaktivt.
F: Kan människor överleva med enbart tungt vatten i stället för vanligt ljusvatten?
S: Nej, kemin i tungt vatten är tillräckligt annorlunda för att människor inte ska kunna överleva med enbart denna typ av H2O i stället för vanligt ljusvatten.
F: Är små mängder tungt vatten giftigt för människor?
Svar: Nej, små mängder är inte giftiga för människor och det är vanligt att människor dricker flera gram utan att bli sjuka för metaboliska experiment.
Sök